2013 Fiscal Year Annual Research Report
非平衡プラズマによるスマート燃焼サーマルマネージメント
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25249015
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Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
冨田 栄二 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (80155556)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐々木 浩一 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50235248)
赤松 史光 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10231812)
池田 裕二 イマジニアリング株式会社(研究開発部), その他部局等, その他 (10212789)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 燃焼 / 非平衡プラズマ / マイクロ波 / 着火 / プラズマ支援燃焼 / レーザー点火 / 含水エタノール |
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| Research Abstract |
マイクロ波プラズマ発生装置のプラズマ特性を大気圧以上のガス圧においてレーザートムソン散乱法により調べた．ヘリウムプラズマの電子温度はガス圧に対して増加し，大気圧以上のガス圧でも非平衡プラズマが得られた。大気圧以上のガス圧では中性分子を第3体とする3体再結合がプラズマの主な損失過程となり，ガス圧に対してプラズマの寿命が短くなるため，電子温度の影響と考察した．
レーザー誘起ブレイクダウンによって形成されるプラズマを用いた点火特性の解明を目的として，点火位置および時期を変えて試験した．その結果，可燃範囲が広い水素の場合は，噴流が燃焼器内において完全な予混合気とならない場合も点火可能である．また，予混合気では点火が不可能な空気比においても，燃料噴流とレーザー点火の組み合わせによって点火可能となり，燃焼圧の上昇率が制御可能であることがわかった．
含水エタノール～空気均一混合気にレーザー点火し，燃焼特性に及ぼす含水率の影響を調査した．圧力履歴はある程度の含水率まではほぼ同様となるが，含水率が高くなると，燃焼が遅れることが分かった．また，マイクロ波プラズマを，直接噴射機関を模擬して，1回だけ燃焼可能な圧縮膨張装置に適用し，燃焼期間の短縮など効果のあることがわかった．
マイクロ波プラズマ重畳場でのレーザー点火過程の調査を行うために，半導体マイクロ波発振電源の開発を行い，500W@2.45GHzのパルス発振電源を開発した．さらにマイクロ波のパルス出力向上をめざし，半導体デバイスの高出力化により1kW@2.45GHzの電源を試作した．半導体化により、マイクロ波のパルス発振制御が容易となり，レーザー点火への重畳時期，重畳時間，エネルギーをμ秒オーダで制御が可能になった．また，マイクロ波アンテナおよびチューナーを用いるシステム構成により，レーザー誘起ブレイクダウンの位置に対する相対位置の影響についても評価が可能になった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
マイクロ波プラズマ発生装置のプラズマ特性調査については，レーザートムソン散乱法により一般性を有する結果を得ることができた．電子エネルギー分布関数の変化が燃焼化学反応に及ぼす影響についても予混合バーナー火炎と誘電体バリア放電を組み合わせた実験で有意な結果を得ている．プラズマ中でのレーザー着火の実験装置を設計製作して実験の準備を整えた．
レーザー誘起ブレイクダウンを用いた点火において，最適な時期，位置は明らかになったことから，一定の達成度は得られた．一方で，レーザー誘起ブレイクダウンによって形成されるプラズマから火炎核形成への遷移過程のメカニズムを解明するための学理構築のためには，形成されたプラズマの存在時間を制御する必要がある．そのため，マイクロ波プラズマをレーザー誘起ブレイクダウンに重畳させた際におけるプラズマ形成過程およびレーザー点火への影響を明らかにする必要がある．
含水エタノールと空気の混合気へのレーザー着火に関しては，途中，装置不良の影響もあり，やや進度が遅いが，これから本格的に実験が進む予定である．マイクロ波を利用したエンジン燃焼模擬状態の噴霧燃焼に関しては，マイクロ波エネルギーの供給時間の影響，点火時のスペクトル解析等によって，火花点火にマイクロ波を供給する際の影響について調査している．
予定よりも進んでいる部分もある．半導体デバイスの高出力化により，半導体マイクロ波発振電源の高出力化が可能となった．また，マイクロ波の入反射エネルギーをモニターすることで効果的なマイクロ波発振パルス制御の知見が得られた．この装置を使って，今後，各グループで実験を進めていく予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
設計製作したプラズマ中でのレーザー着火の実験装置を用い，プラズマ中のラジカル密度計測の結果と着火特性とを比較して，プラズマ中の何が着火特性に最も重要な影響を与えているかに関する知見を得る．
レーザー誘起ブレイクダウンを用いた点火におけるプラズマと火炎核形成の関係を明らかにするために，マイクロ波プラズマをレーザー点火と組み合わせた点火試験を行う．また，局所当量比がレーザー点火に与える影響を明らかにするために，レーザー誘起ブレイクダウン分光分析を適用する．一方で，プラズマ支援燃焼を用いたスマート燃焼の学理の解明のために，電子の衝突反応を考慮した詳細化学反応機構の構築を行う．さらに，圧力、温度雰囲気条件に対する燃焼特性への非平衡プラズマの影響を調査する。また燃焼室内でのマイクロ波投入の指向性による火炎核形成や着火位置への影響有無および効果、火炎伝播への影響を調べ、火炎の時空間的制御への可能性を検討し、制御方法を探索する。そのためにマイクロ波投入のための指向性アンテナ、多点プラズマ生成への検討を行う。さらに，燃料噴霧中へのレーザー着火に関しても引き続き，研究を進める．
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